Składniki wody mogą powstawać na powierzchni Księżyca

Gdy strumień naładowanych cząstek, tzw. wiatr słoneczny, uderza w powierzchnię Księżyca z prędkością 450 kilometrów na sekundę, niesione przez niego cząstki wzbogacają powierzchnię Księżyca o składniki, z których może powstawać woda, twierdzą naukowcy z NASA.

Wykorzystując program komputerowy, naukowcy stworzyli symulację procesów chemicznych zachodzących wskutek zderzenia cząstek wiatru słonecznego z powierzchnią Księżyca. Protony mające źródło na Słońcu i ocierające do Księżyca oddziałują z elektronami na powierzchni Księżyca, prowadząc do powstania atomów wodoru. Atomy te następnie przemieszczają się po powierzchni przyklejając się do atomów tlenu związanych w cząsteczkach SiO2 oraz innych związków zawierających atomy tlenu, a tworzących materię pokrywającą powierzchnię Księżyca, tzw. regolit. Tlen i wodór łączą się w grupy hydroksylowe (OH), składnik wody czyli H2O.

“Postrzegamy wodę jako ten szczególny, magiczny związek chemiczny” mówi William M. Farrell, fizyk plazmy z NASA Goddard Space Flight Center w Greenbelt w stanie Maryland, który pomagał w opracowaniu symulacji. “Ale co ciekawe każda skała potencjalnie może tworzyć wodę, szczególnie oddziałująca z cząsteczkami wiatru słonecznego”.

Zrozumienie tego jak dużo wody – lub jej chemicznych składników – dostępne jest na Księżycu jest kluczowe dla planów wysłania ludzi do stworzenia stałej bazy na Księżycu, mówi Orenthal James Tucker, fizyk z Goddard, który kierował pracami nad symulacją.

“Próbujemy poznawać dynamikę transportu cennych zasobów takich jak wodór na powierzchni Księżyca oraz przez egzosferę, bardzo cienką atmosferę, tak abyśmy wiedzieli dokąd polecieć, aby wykorzystać te zasoby” mówi Tucker, który niedawno opisał wyniki symulacji w periodyku JGR Planets.

Kilka sond kosmicznych wykorzystywało instrumenty obserwujące w podczerwieni, mierzące promieniowanie emitowane z Księżyca, do zidentyfikowania chemii na jego powierzchni. Wśród nich była sonda Deep Impact, która wielokrotnie zbliżała się do układu Ziemia-Księżyc w drodze do komety 103P/Hartley 2; sonda Cassini, która przeleciała w pobliżu Księżyca w drodze do Saturna oraz indyjska sonda Chandrayaan-1, która krążyła wokół Księżyca dziesięć lat temu. Wszystkie odkryły dowody na obecność wody lub jej składników (wodoru oraz grup hydroksylowych).

Słońce emituje stały strumień cząstek i pól magnetycznych zwany wiatrem słonecznym. Ten wiatr słoneczny uderza w globy w całym układzie słonecznym cząsteczkami i promieniowaniem – które może docierać aż do powierzchni planet, jeżeli nie zostanie powstrzymany przez atmosferę, pole magnetyczne czy oba te elementy. Powyżej widać jak cząstki wiatru słonecznego oddziałują z kilkoma wybranymi planetami i innymi ciałami niebieskimi. Źródło: NASA Goddard Space Flight Center/Mary Pat Hrybyk-Keith

To jak te atomy i związki powstają na Księżycu stanowi wciąż otwartą kwestię. Możliwe, że uderzenia meteorów inicjują niezbędne reakcje chemiczne, ale wielu naukowców uważa, że głównym graczem w tym procesie jest wiatr słoneczny.

Symulacja Tuckera, która śledzi cykl życia atomów wodoru na Księżycu wspiera teorię mówiącą o wietrze słonecznym.

“Z wcześniejszych badań wiemy jak dużo wodoru dociera do Księżyca z wiatrem słonecznym, wiemy także ile wodoru znajduje się w bardzo rzadkiej atmosferze Księżyca i mamy pomiary obfitości grup hydroksylowych na powierzchni” mówi Tucker. “Teraz doszliśmy do tego jak te trzy zbiory wodoru są ze sobą fizycznie związane”.

Wykazując jak atomy wodoru zachowują się na Księżycu ustaliliśmy dlaczego sondy rejestrowały fluktuacje w ilości wodoru w różnych regionach Księżyca. Mniej wodoru zbiera się w cieplejszych regionach, np. na równiku Księżyca, ponieważ znajdujące się tam atomy wodoru otrzymują energię ze Słońca i szybko ulatniają się z powierzchni do egzosfery – stwierdzili badacze. W odróżnieniu od równika, więcej wodoru wydaje zbierać się w chłodniejszych obszarach w pobliżu biegunów, ponieważ dociera tam mniej promieniowania słonecznego, a proces odgazowania jest nieco wolniejszy.

Ogólnie rzecz biorąc, symulacja Tuckera wskazuje, że wiatr słoneczny bezustannie uderzający w powierzchnię Księżyca rozrywa wiązania między atomami krzemu, żelaza i tlenu, które tworzą większość powierzchni Księżyca. Tym samym jest tam więcej atomów tlenu z niewypełnionymi wiązaniami. gdy atomy wodoru przepływają po powierzchni Księżyca, tymczasowo wiązane są do swobodnych atomów tlenu (na dłużej w chłodnych rejonach niż w ciepłych). Przepływają od O do O z czasem rozpraszając się w atmosferze Księżyca, a z czasem uciekając w przestrzeń kosmiczną. “Ten cały proces przypomina istną fabrykę związków chemicznych” dodaje Farrell.

Źródło: NASA Goddard Space Flight Center

Artykuł naukowy: http://dx.doi.org/10.1029/2018JE005805

Przeczytaj także